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29.06.2012

Forscher weisen magnetische Wirbel in Isolator nach

Die Entdeckung von Skyrmionen in einem elektrischen Nichtleiter verspricht eine neuartige verlustfreie Magneto-Elektronik.

MIRA MIRA Am Instrument MIRA der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) haben Wissenschaftler magnetische Wirbel in einem elektrisch nicht leitfähigen Material nachgewiesen.
Am Instrument MIRA der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) haben Wissenschaftler magnetische Wirbel in einem elektrisch nicht leitfähigen Material nachgewiesen.

Wissenschaftlern um Christian Pfleiderer ist es gelungen, magnetische Wirbel in so genanntem Kupferselenat (Cu2OSeO3) nachzuweisen. Im Jahr 2009 hatten der Physik-Professor und sein Team vom Physik-Department der Technischen Universität München erstmals solche Gitter aus Spinwirbeln in den Magneten Mangansilizid (MnSi) und Eisen-Kobalt-Silizid (Fe1-xCoxSi) entdeckt. Nach dem britischen Physiker Tom Skyrme werden sie seither als „Skyrmionen“ bezeichnet. Schon damals vermuteten die Wissenschaftler um Pfleiderer, dass Skyrmionen in vielen Materialien existieren. Anders als das Metall Mangansilizid und der stark dotierte Halbleiter Eisen-Kobalt-Silizid ist das nun untersuchte Kupferselenat jedoch elektrisch nicht leitfähig.

Das Kupferselenat hatte das Interesse der Wissenschaftler zunächst geweckt, weil man mit elektrischen Feldern dessen magnetische Eigenschaften verändern kann – und umgekehrt. Physiker bezeichnen dies als „multiferroisch“. Inspiriert durch Untersuchungen des japanischen Kollegen Yoshinori Tokura und seinen Mitarbeitern an diesem Material – unter anderem auch an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) -, analysierte das Team um Pfleiderer das Kupferselenat mit Hilfe von Kleinwinkelneutronenstreuung und nutzte dazu ebenfalls die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der TUM.

Obwohl die fundamentalen Symmetrien der Kristallstruktur von Kupferselenat denen von Mangansilizid und Eisen-Kobalt-Silizid stark ähneln, gibt es doch deutliche Unterschiede. So enthält eine Einheitszelle in Kupferselenat 28, statt 8 Atome und die magnetischen Wechselwirkungen sind ebenfalls erheblich komplexer. „Die Ähnlichkeit der magnetischen Eigenschaften im Inneren der beiden Substanzen war daher eher verblüffend“, sagt Christian Pfleiderer.

Die Erforschung von Skyrmionen in magnetischen Materialien entwickelt sich derzeit zu einem viel versprechenden neuen Arbeitsgebiet. So hatte eine Gruppe von Forschern um Pfleiderer und seinem Theoriekollegen Achim Rosch an der Universität zu Köln erst kürzlich gezeigt, dass sich die magnetischen Wirbel durch extrem kleine elektrische Ströme verschieben lassen. Dies wiederum ist eine aussichtsreiche Eigenschaft, um magnetische Informationen durch elektrische Ströme direkt in Materialien zu schreiben. Auf diese Weise könnten Informationen eines Tages noch schneller, platz- und energiesparender in Computern gespeichert werden als bisher. Daher ist das Interesse in Wissenschaft und Industrie extrem groß. Mit den Wirbeln in Kupferselenat eröffnet sich nun eine völlig neue Perspektive: „An einem multiferroischen Isolator könnten die magnetischen Wirbel mittels elektrischer Felder ohne große Energieverluste verändert werden“, sagt Christian Pfleiderer. Vielleicht gelingt damit in Zukunft ein Durchbruch bei der Entwicklung einer neuartigen verlustfreien Magneto-Elektronik.

Originalpublikationen:

Long-Wavelength Helimagnetic Order an Skyrmion Lattice Phase in Cu2OSeO3
T. Adams, A. Chacon, M. Wagner, A. Bauer, G. Brandl, B. Pedersen, H. Berger, P. Lemmens and C. Pfleiderer
Physical Review Letters 108, 237204 (2012)
DOI: 10.11103/PhysRevLett.108.237204

Formation and rotation of skyrmion crystal in the chiral-lattice insulator Cu2OSeO3
S. Seki, J.-H. Kim, D. S. Inosov, R. Georgii, B. Keimer, S. Ishiwata and Y. Tokura
Physical Review B (Vol.85, No.22)
DOI: 10.1103/PhysRevB.85.220406

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